基于RFID技術的門禁控制系統設計

張鋒

摘 要： 根據門禁管理的現狀和發展趨勢，基于RFID技術，本文研究了簡單的門禁控制系統。系統硬件平臺采用STC89C52單片機為核心。由S50非接觸式IC卡及MFRC522讀寫模塊或4×4矩陣鍵盤來構成識別、驗證終端 LCD12864顯示模塊構成顯示終端，門禁執行機構由步進電機及其驅動模塊組成。通過對該控制系統的實驗室調試，其性能可靠，工作穩定，滿足設計總體要求。

關鍵詞： RFID ；STC89C52；IC卡；MFRC522

Abstract：According to the current situation and development trend of entrance guard management based on RFID technology this paper studies a simple entrance control system. The hardware platform of the system is based on STC89C52 MCU. The identification and verification terminal is made up of S50 contactless IC card its read and write module MFRC522 or 4×4 matrix keyboard. The LCD12864 display module constitutes the display terminal and the access control execution mechanism is composed of stepping motor and its driving module. Through the laboratory debugging of the control system its performance is reliable the work is stable and the overall design requirements are satisfied.

Key words： RFID；STC89C52；IC card；MFRC522

引言

隨著經濟發展和社會進步，有關個人財產和人身安全的防護重要性已經獲得了全社會的普遍高度認知與關注。為此，智能門禁控制系統也隨即應運而生。其中，基于RFID技術的門禁系統已經發展成為一項功能先進的高科技防范技術和管理手段。在指定管理的區域安裝門禁控制系統，人員的進出必需配備定制卡片或輸入正確按鍵密碼方可獲準出入，這就大大提高了門禁管理的安全性，同時也方便了樓宇小區的內部管理。迄至目前，智能化門禁系統設計已成為安防科學技術的重點和熱點研發方向之一[1-3]。

1 RFID技術概述

射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸式的自動識別的技術，利用電磁感應、無線電波等進行非接觸雙向通信，以達到有效目標識別，并成功實現交換數據。時下，RFID技術已經應用到了電子商務、物流等諸多領域，而且當前的 RFID系統則設有低頻、高頻和超高頻等3個工作頻段，其工作原理就是利用電磁感應和電磁波發射[2]。在設計結構上，RFID均由電子標簽、讀寫器和單片機三部分組成。RFID技術的主體構建框架即如圖1所示[4]。

由圖1可知，本次研究設計的電子標簽、讀寫器是利用近場的電磁感應完成數據交換，單片機將用于數據的全面統籌管理。

2 智能門禁控制系統設計

基于RFID技術的智能門禁控制系統主要分為外圍硬件系統和內部軟件系統兩個部分。當IC卡進入讀寫器接收范圍后，讀寫器發出射頻脈沖信號給IC卡提供能量。IC卡接收讀寫器發出的射頻信號，憑借內部產生的感應電流獲得能量發送出卡片中存儲的信息，通過讀寫器的操作變換，再將信息返送至單片機展開有關數據處理，完成門禁管理[5]。

2.1 智能門禁控制系統需求分析

（1）硬件設計。非接觸式IC卡射頻識別系統和其外圍電路以及與單片機模塊接口電路設計；功能設定以及密碼設置的4×4矩陣鍵盤電路設計；功能顯示的LCD電路設計；開/關門步進電機控制電路設計。

（2）軟件設計。基于RFID射頻識別技術門禁控制系統可完成注冊、刷卡、銷卡、密碼驗證、重置密碼的功能，所有功能通過液晶顯示器提供顯示。為能夠滿足上述所有功能預期，軟件部分主要包括如下設計組成：

① IC卡識別、讀卡程序；

② 4×4矩陣鍵盤程序；

③ 單片機內部EEPROM讀寫程序；

④ LCD12864液晶顯示程序；

⑤ 步進電機正反轉控制程序。

門禁控制系統軟件采用C語言編制，包括非接觸式IC卡讀寫程序、LCD顯示程序、密碼驗證及重置程序等內容，采用模塊化設計模式實現所有功能。

2.2 系統設計方案

本次研究的門禁控制系統在設計上由5部分組成，分別是：STC89C52單片機控制模塊、射頻識別技術（RFID）電路模塊、4×4矩陣鍵盤模塊、LCD12864液晶模塊，還有步進電機控制驅動模塊。系統整體設計方案如圖2所示。

過程中，首先通過IC讀卡模塊MFRC522來識別IC卡，再把卡號數據上傳給控制中心STC89C52單片機。單片機接收數據信息，根據內部EEPROM存儲的卡號信息，核對卡號是否為已注冊的卡號：若是，將發出開門指令，控制步進電機驅動模塊TB6560操控步進電機正轉，執行開門命令；反之，則發出關門指令，電機不工作。為方便未攜帶IC卡的用戶快捷開啟門禁，本系統另外可用4×4矩陣鍵盤輸入密碼，單片機調取內部EEPROM存儲器中的匹配密碼，核對密碼是否正確，來實現門的開和關，同時也可以重置密碼，所有的執行和操作都在LCD12864液晶上生成視像顯示[6]。

3 門禁系統硬件設計

整個門禁系統完整的電路原理設計可如圖3所示。

本系統采用STC89C52 單片機為控制核心，射頻IC卡信息由MFRC522模塊讀出，通過單片機處理后在LCD12864上顯示相關執行信息，同時也可以通過4×4矩陣鍵盤按鍵來切換執行密碼驗證和修改密碼的功能。

這里采用8位并行接口方式對LCD12864進行操作，DB0～DB7與單片機P2.7～P2.0對接，STC89C52的P2端口作為顯示數據的輸入端口。EN、R/W、RS三個控制端與單片機P0.5～P0.7對接。

本系統使用4×4鍵盤實現密碼輸入驗證及修改功能。AB0～AB7與單片機P3.0～P3.7對接，STC89C52的P3端口作為按鍵的輸入端口。其中有10個鍵值為0～9的按鍵用來輸入和設置密碼，另外選取4個鍵值分別為11、12、13和15的按鍵通過軟件程序，運行得到了功能界面上翻、功能界面下翻、密碼按鍵退格消除及確定功能。

MFRC522模塊的SCS、SCK、MOSI、MISO、RST接口與單片機P1.0～P1.4對接。門禁開關控制通過42步進電機模擬設計調試，驅動電路使用TB6560步進電機驅動板24 V電源供電，共陽接法控制，EN-、DR-、CR-接口與單片機P1.5～P1.7對接[7]。

4 門禁系統軟件設計

本次研發系統的主程序流程如圖4所示。

本系統的流程研發主要包括MFRC522讀寫IC程序和4×4矩陣按鍵識別和處理程序，顯示部分用LCD12864液晶顯示屏以并口方式傳送數據實現刷卡、注銷卡、輸入密碼、修改密碼以及開門、關門文字發布顯示，并把控制信號傳送給執行機構、即步進電機，來調控開、關門的行為事件[8-9]。

5 門禁系統調試

門禁控制系統采用讀卡器（MFRC522模塊）來檢測有無IC卡，對其進行識別，再用單片機來控制電機模塊部分。同時，也可以通過密碼來識別。系統調試過程可詳見如下。

步驟一 調到“3.IC卡登記”的界面，通過MFRC522讀取卡號，將其保存到單片機的EEPROM中。刷卡登記界面如圖5所示。

步驟二 在“1.IC卡讀卡輸入”的界面，將卡放置在MFRC522模塊上，讀取卡號，并行調取單片機內EEPROM卡號后進行匹配，匹配正確就顯示“成功”。此后就會啟動電機，執行開門動作。正確刷卡界面如圖6所示。

步驟三 如果嘗試去讀取不匹配的IC卡，就會在液晶屏幕上顯示失敗和錯誤以及此時的卡號。電機也不會獲得啟動執行。錯誤刷卡界面則如圖7所示。

步驟四 在“4.密碼設置：8位”的界面，主要針對出門時忘記帶卡的場景。此時可以利用按鍵開門。這里設置密碼為8個1，保存在單片機EEPROM內。密碼設置界面如圖8所示。

步驟五 在“2.密碼輸入：8位”界面，輸入最新設置的密碼8個，就會顯示成功。此時將啟動電機，執行開門。密碼驗證界面即如圖9所示。

6 結束語

本次設計的門禁系統達到了預期要求，符合了預想設計，取得了良好實踐效果。總地來說，可以實現以下功能：

（1）讀取IC卡；

（2）將卡號信息顯示在LCD上；

（3）通過按鍵可輸入密碼；

（4）進行密碼驗證；

（5）修改密碼等。

此后的仿真實驗驗證了本控制系統的可靠性和實用性，未來的門禁系統將會更加人性化和智能化[10]。

參考文獻

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[2] 楊友文，王建華. 射頻IC卡系統的應用[J]. 合肥工業大學學報（自然科學版），2002，25（S1）：982-984.

[3] 顏濤. RFID技術研究及其在倉儲管理中的應用[D]. 西安：西安電子科技大學，2006.

[4] 張潔. 基于RFID技術的智能門禁系統設計[D]. 石家莊：河北科技大學，2010.

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[6] 安靜宇. 基于非接觸式IC卡門禁系統的設計[D]. 西安：西安科技大學，2006.

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